基于高瓦斯礦井采空區防滅火技術研究

魏 華 張玉明

（陜西彬長胡家河礦業有限公司，陜西 咸陽 713602）

0 引言

高瓦斯礦井具有一定的特殊性，在抽放高濃度瓦斯時受漏風等因素的影響， 可能造成工作面隅角瓦斯積累，并遭遇采空區浮煤自燃情況，一旦引燃瓦斯將引發嚴重事故。 目前可以采用的防滅火技術較多，但為保證開采作業的安全性和高效性，需要掌握煤體自燃發火規律，結合礦井作業情況制訂科學防滅火技術方案，有效降低事故發生概率，為煤礦開采提供有力技術支撐。

1 工程概況

某煤礦綜采工作面走向長610 m，傾斜長206 m，采高2.2 m。 在南西和北西方向，工作面分別緊鄰回風大巷和采空區，下層無采掘活動，上層存在兩個采空區。沿著北西向南東方向，煤層厚度有所增加，總體維持穩定，平均傾角為11°。盡管開采結構簡單，但靠近煤層底板位置存在矸石層，瓦斯含量達到9.46 m3/t。 位于采區西翼的煤層采用炮采工藝，布置一條進風巷和兩條回風巷，實施負壓通風，采空區存在隱蔽火區，曾經因出現明火封閉。

綜上所述，在工作面開采期間，采空區處于瓦斯和自燃條件共存狀態，造成煤層開采風險較大，需要采用防滅火技術科學處理自燃和瓦斯引燃問題。

2 采空區防滅火技術分析

2.1 技術方案

在負壓作用下，風流通過采空區裂隙在通道內迅速擴散，將造成立體風流運移問題發生，導致漏風加劇。 在適宜供氧條件下，采空區浮煤自燃的可能性有所增加，產生的熱量導致煤體溫度提升，引發漏風通道兩端溫差和高差增加[1]。在慢速渦流作用下，熱量對流交換加劇，引發內外煤體升溫，加劇浮煤氧化和自燃，給滅火帶來較大困難。 而高瓦斯礦井采空區發生自燃情況，將引發瓦斯燃燒乃至爆炸，造成安全事故。為防治上述問題發生，首先應在工作面覆巖裂隙帶布置高位鉆孔，完成采空區瓦斯高效率抽放。 鉆孔內負壓較高，能夠促進瓦斯氣體排放，減少回風隅角瓦斯涌出量。 在工作面開采期間，鉆孔終端將沿著冒落帶方向移動，瓦斯濃度低，明顯受漏風風流影響。 為避免資源浪費或引發流場紊亂，鉆進冒落帶后采用液態二氧化碳壓注孔，利用二氧化碳理化特性吸附和覆蓋采空區浮煤[2]。 發生吸熱反應，可以降低煤體溫度。 發生氣化后，二氧化碳將成為“空氣墻”，減少工作面瓦斯流入。 在抽放瓦斯時，瓦斯容易向滯留帶移動，在采空區深部積聚，影響抽放效率。 針對隅角需通過埋管加強瓦斯抽放，借助三通與采空區埋管連接，高效抽采瓦斯。 與此同時，需要加強有害氣體監測，發現超標注入氮氣實施置換， 確保有害氣體含量不超安全閾值，并保證采空區氧氣含量在5%以內，達到防滅火目標。

2.2 自燃防治

在采空區浮煤自燃問題防治上，通過監控可以確認來源本煤層瓦斯占比55%左右，來自下伏煤層占比約31%，其余來自上覆采空區。 工作面絕對瓦斯涌出量達到30 m3/min，計劃排風11.3 m3/min，其余瓦斯需要通過高位鉆孔和隅角埋管方式抽放。 在回采期，采空區自燃帶劃分為窒息帶、 氧化升溫帶和散熱帶，需要使氧化升溫帶范圍比散熱帶小， 降低自燃發生概率。 在采空區溫度和氣體監測方面，需要在工作面布置束管監測系統，每間隔10 個回采面液壓支架布置1個測點，用于分析氣體組成成分和空氣溫度，為自燃預防提供可靠數據。 結合工程實際情況可知，甲烷平均達到9%，氧氣達到12%左右。 受抽放操作影響，采空區風流速分布引發了自燃帶范圍變化，造成深部出現強漏風。 為加強漏風控制，需要調節漏風風阻和漏風量，對工作面隅角進行充填封堵，通過增強風阻改變漏風流場分布，減小氧化自燃帶范圍，降低氧氣含量。按照每隔15 m 距離進行一次充填堵漏，做到兩端巷道處理，能夠將氧氣含量降低至9%左右，能夠降低采空區發生自燃的風險。 采用隅角埋管方式抽放瓦斯，需要在距離工作面50 m 位置布置抽放管口，提高瓦斯抽放效率。 為加強漏風控制，需要在距離首個抽放口2 m 位置布置1 m 厚密閉墻， 然后每隔10 m 布置一道，達到高效抽采效果。 從瓦斯濃度監測效果來看， 抽放后隅角位置回風流瓦斯濃度降低78.7%，工作面下降至0.1%，能夠降低瓦斯災害發生概率。

2.3 注氮防火

采用注氮方式防火， 能夠實現采空區空間惰化，使煤炭和氧氣接觸被沖淡，避免煤炭自燃發火。 通過注氮提高采空區壓力，能夠阻礙周圍有毒有害氣體通過裂隙進入采空區，同時有效稀釋漏風，能夠取得較好防火效果。 在工程施工實踐中，結合采空區氧化升溫帶范圍變化情況可知，如上表1 所示，在注氮口深度從30 m 提升至40 m 時，帶寬增加15 m，深度提升至50 m 后帶寬有所減小。 在注氮口深度達到25 m時，采空區氧化升溫帶范圍最小，能夠取得較好惰化效果。在實踐操作中，需要采用埋管注氮方式，在采空區沿著進風順槽方向埋設70 mm 鋼管與注氮主管路連接，在管口進入氧化帶后打開閥門注氮。 放管口位于進風側， 距離工作面25～30 m， 出口可以承受0.2MPa 的注氮壓力。 在注氮期間，需要加強漏風情況分析，漏風強度提升應將注氮口向深部移動，改善注氮效果，確保采空區氣體分布狀態良好[3]。因為隨著采空區氧化升溫帶分布變化， 在注氮有效半徑固定為25 m、釋放口間距為50 m 的情況下，需要通過調整注氮位置和間距確保氮氣充滿需惰化區域。 將氮氣連續、穩定注入采空區，為取得良好置換效果，應使液氮與瓦斯抽出量比值維持在1～1.2 之間，實際注氮時間每天約4.93 h， 強度需要達到600m3/h， 結合實測數據， 利用三通節點連接500 mm 長支管釋放氮氣，可以避免管道被煤矸石堵塞。 加強束管監測，發現一氧化碳濃度超標且溫度升高，需及時注氮，通過漏風使氮氣均勻擴散，直至氧化帶氧氣濃度在10%以下可以停止注氮。

表1 注氮口深度與采空區氧化升溫帶寬度關系（m）

2.4 滅火措施

在加強采空區防火技術運用的同時，需要做好滅火準備。在上回風巷敷設注漿管路，根據監測得到的氣體變化情況關注泥漿或凝膠等防火材料，能夠起到封堵裂隙、惰化遺煤等多種效果，避免采空區自燃給周圍煤層開采帶來影響，保證工作面作業安全。采取該技術，需要在上風巷布設觀測孔，發現一氧化碳氣體應加強火災預判，及時補打注漿孔。采用凝膠材料滅火，使用粉末狀高分子材料與水接觸反應得到凍膠狀物質，機械強度接近零，但能夠通過凝結成固體將周圍裂隙填滿，將浮煤與表面氧氣隔絕，起到阻燃作用。凝膠主成分為水，反應時可以吸收煤體前期氧化釋放的熱量，達到降溫滅火的效果。按照每隔5 個液壓支架預留埋設1 根高壓膠管，在回采作業每推進3m 時注膠一次，能夠有效隔絕遺煤自燃情形。 按照200∶1 的配比，應先注入水，然后注入膠體，形成的膠體隔離墻位于液壓支架后部。如果注入水時周圍溫度已經超出1000℃，膠體將發生氣化，立刻封堵漏風通道，減少空氣內的氧氣含量。 合理搭配凝膠，能夠利用膠體和水的作用包裹煤炭，同時產生隔絕氧氣和降溫效果。 相較于其他滅火技術，應用該技術具有較高安全性，并且不會給環境帶來污染。 從防滅火技術總體應用效果來看， 采空區氧氣含量始終不超5%，杜絕了煤炭自燃問題的發生，保證了回采作業安全。

3 結語

在高瓦斯礦井回采作業期間，采空區容易發生煤炭自燃問題，未能有效防治將誘發瓦斯災害，給人員生命安全帶來較大威脅。 應用防滅火技術，應結合工程實際情況采取多種防控措施，從瓦斯抽放、漏風控制、注氮防火等多個角度著手，全面降低火災、爆炸事故的發生概率， 在保證人員健康與安全的基礎上，為煤礦的可持續發展提供保障。